Sähköverkon häiriöiden vaikutukset AC-kuristimella varustettuun pienitehoiseen taajuusmuuttajaan

Sähköverkon häiriöiden vaikutukset AC-kuristimella varustettuun

pienitehoiseen taajuusmuuttajaan

Sähkötekniikan korkeakoulu

Diplomity¨o, joka on j¨atetty opinn¨aytteen¨a tarkastettavaksi diplomi-insin¨o¨orin tutkintoa varten Espoossa 14.7.2014.

Ty¨on valvoja:

Prof. Matti Lehtonen

Ty¨on ohjaaja:

DI Ari Turunen

Tekij¨a: Andrei Luukka

Ty¨on nimi: S¨ahk¨overkon h¨airi¨oiden vaikutukset AC-kuristimella varustettuun pienitehoiseen taajuusmuuttajaan

P¨aiv¨am¨a¨ar¨a: 14.7.2014 Kieli: Suomi Sivum¨a¨ar¨a:10+74 S¨ahk¨otekniikan ja automaation laitos

Professuuri: S¨ahk¨oj¨arjestelm¨at Koodi: S-18

Valvoja: Prof. Matti Lehtonen Ohjaaja: DI Ari Turunen

Pienitehoista j¨annitev¨alipiirillist¨a taajuusmuuttajaa voidaan suojata kolmi- vaiheisella AC-tulokuristimella. T¨ass¨a diplomity¨oss¨a tutkittiin s¨ahk¨overkon transienttiylij¨annitteiden, kytkent¨atransienttien, j¨annitekuoppien, j¨annitteen kohoumien ja s¨ahk¨overkon j¨annite-ep¨asymmetrian vaikutuksia pienitehoiseen j¨annitev¨alipiirilliseen taajuusmuuttajaan.

Ty¨on tarkoituksena oli selvitt¨a¨a, voivatko ty¨oss¨a k¨asitellyt s¨ahk¨overkon h¨airi¨ot aiheuttaa vahinkoa taajuusmuuttajan tasasuuntaussillassa, ja kuinka tehokkaasti ty¨oss¨a mitoitettu AC-kuristin suojaa taajuusmuuttajaa s¨ahk¨overkon h¨airi¨oilt¨a.

Tutkimusmenetelmin¨a ty¨oss¨a olivat erilaiset simulointimallit, joiden tukena olivat my¨os ty¨on aikana tehdyt laboratoriomittaukset.

Simulointi- ja laboratoriotutkimusten tuloksista todettiin, ett¨a t¨ass¨a ty¨oss¨a k¨asitelt¨av¨at s¨ahk¨overkon h¨airi¨ot eiv¨at aiheuta vahinkoa taajuusmuuttajan tasasuuntaussillassa tietyss¨a s¨ahk¨overkon k¨aytt¨oymp¨arist¨oss¨a. S¨ahk¨overkon j¨annite-ep¨asymmetrian aiheuttama virtaep¨asymmetria saattaa kuitenkin pitk¨all¨a aikav¨alill¨a aiheuttaa taajuusmuuttajan tasasuuntaussillassa termisi¨a rasituksia, kun diodien my¨ot¨asuuntaisten maksimivirtojen arvot ylittyv¨at.

T¨ass¨a ty¨oss¨a mitoitettu taajuusmuuttajaa suojaava AC-kuristin suojasi tehok- kaimmin nopeilta salaman aiheuttamilta transienttiylij¨annitteilt¨a. Kuristimen al- hainen saturaatiopiste transienttiylij¨annitteit¨a vastaan riitti suojaamaan taajuus- muuttajan tehopuolikomponentteja.

Avainsanat: Taajuusmuuttaja, kuristin, ylij¨annite, j¨annitekuoppa, ep¨asymmet- ria

school of electrical engineering master’s thesis Author: Andrei Luukka

Title: Effects of Power System Failures on Low Power Variable Speed Drive Equipped with AC Line Reactor

Date: 14.7.2014 Language: Finnish Number of pages:10+74 Department of Electrical Engineering and Automation

Professorship: Electrical Systems Code: S-18

Supervisor: Prof. Matti Lehtonen Advisor: M.Sc. (Tech.) Ari Turunen

Low power voltage source variable speed drive can be protected against power system failures with three phase AC line reactor. In this thesis was exami- ned how transient overvoltages, switching transients, voltage dips, voltage swells and asymmetrical voltage supply affect the components of the variable speed drive.

The purpose of this thesis was to clarify if the disturbances of the mains supply can cause damage to the rectifier of the variable speed drive. The objective also was to clarify how effectively the AC line reactor protects the drive against the power system failures. The research methods which are used in this thesis were the simulations and the laboratory measurements.

In the simulation results and laboratory test results it was stated that the disturbances of the mains supply that have been processed in this thesis do not cause damage in the rectifier in a certain power system environment. However the long term asymmetrical voltage supply can cause thermal stress in rec- tifier diodes when the magnitudes of the asymmetrical currents in the input of the variable speed drive are higher than the rated forward currents of the diodes.

The protection effects of the AC line reactor were the most efficient against the fast transient overvoltages caused by lightning strokes. The low saturation point of the AC line reactor was sufficient to protect the power semiconductors of the variable speed drive.

Keywords: Variable speed drive, line reactor, overvoltage, voltage dip, asymmet- ry

Esipuhe

T¨am¨a diplomity¨o on tehty ABB Oy Drivesin Low Power AC -tulosyksik¨olle. Ensi- sijaisesti haluan kiitt¨a¨a DI Janne Davidsaista mahdollisuudesta tehd¨a t¨am¨a diplo- mity¨o ABB Oy Drivesille. Ty¨oni valvojaa, Professori Matti Lehtosta, haluan kiitt¨a¨a h¨anen antamastaan tuesta ja t¨arkeist¨a neuvoista lopputy¨oss¨ani. Ty¨oni ohjaajaa, DI Ari Turusta, kiit¨an kehitt¨avist¨a ammattitaitoisista keskusteluista ja teknisest¨a tues- ta. Suuri kiitos my¨os ABB Solar -yksik¨on laboratorioinsin¨o¨oreille, jotka auttoivat UHE-laboratorion mittalaitteiden k¨ayt¨oss¨a, sek¨a Henrik Riikolalle ja Paulius Pie- terikselle heid¨an antamastaan tuesta simulointimalleihin ja kuristimeen liittyviss¨a kysymyksiss¨a. Haluan kiitt¨a¨a my¨os ty¨okavereitani mukavista ja rentouttavista kah- vihetkist¨a, jotka toivat uutta energiaa kirjoitusprosessiin. Kiitos my¨os Emilialle.

Otaniemi, 14.7.2014

Andrei Luukka

Sis¨ allysluettelo

Tiivistelm¨a ii

Tiivistelm¨a (englanniksi) iii

Esipuhe iv

Sis¨allysluettelo v

Symbolit ja lyhenteet vii

1 Johdanto 1

1.1 Tutkimuskysymys ja ty¨on tavoitteet . . . 2

1.2 Ty¨on rakenne . . . 2

2 Teoreettinen tausta ja aiempi tutkimustieto 3 2.1 J¨annitev¨alipiirillisen taajuusmuuttajan toimintaperiaate . . . 3

2.1.1 Tasasuuntaus . . . 4

2.1.2 DC-v¨alipiiri . . . 5

2.1.3 Vaihtosuuntaus pulssinleveysmodulaatiolla . . . 6

2.2 S¨ahk¨overkon h¨airi¨ot . . . 7

2.2.1 Pientaajuiset yli- ja alij¨annitteet . . . 7

2.2.2 Transienttiylij¨annitteet . . . 8

2.2.3 S¨ahk¨overkon j¨annite-ep¨asymmetria . . . 11

2.2.4 J¨annitteen kohouma . . . 14

2.2.5 J¨annitekuopat . . . 15

2.3 Taajuusmuuttajan suojaus . . . 18

2.3.1 Sulakkeet ja johdonsuojakatkaisijat . . . 18

2.3.2 Varistorit . . . 19

2.3.3 Venttiilisuojat . . . 21

2.3.4 AC- ja DC-kuristimet . . . 23

3 Simulointimallit 29 3.1 J¨annitev¨alipiirillinen taajuusmuuttaja . . . 29

3.2 S¨ahk¨overkon mallinnus . . . 30

3.3 Kuristimen mallinnus . . . 31

3.4 Salaman aiheuttamat transienttiylij¨annitteet . . . 33

3.5 Kytkent¨atransienttien simulointimalli . . . 37

3.6 Taajuusmuuttajan toiminta ep¨asymmetrisess¨a s¨ahk¨overkossa . . . 38

3.7 J¨annitekuopat ja j¨annitteen kohouma . . . 39

4 Simulointitulokset 42 4.1 Salaman aiheuttamat transienttiylij¨annitteet vaihe- ja p¨a¨aj¨annitteess¨a 42 4.2 Kytkent¨atransientit . . . 48

4.3 J¨annitekuopat ja j¨annitteen kohouma . . . 51

4.4 Taajuusmuuttajan sy¨ott¨opuolen j¨annite-ep¨asymmetria . . . 57

5 Yhteenveto 64

Viitteet 67

Liitteet

A Ty¨oss¨a k¨aytetyt mittalaitteet ja laitteistot 74

Symbolit ja lyhenteet

Symbolit

a¯,a

¯

2 a-operaattori

B Magneettivuon tiheys

C Kapasitanssi

C_c Transienttiylij¨annitesimulaattorin latauskondensaattori C_cap Kondensaattorin kapasitanssi

C_capacitor Kompensointikondensaattoripatteriston kapasitanssi C_t S¨ahk¨overkon siirtokaapelin kapasitanssi

C∆ Kompensointikondensaattoripatteriston kondensaattorien kapasitanssi D1. . . D6 Tasasuuntaussillan diodit D1:st¨a D6:een

E S¨ahk¨okent¨an voimakkuus Ecap Kondensaattorin energia

f Taajuus

H Magneettikent¨an voimakkuus h J¨annitekuopan syvyyskerroin

I Virta

¯I^A0,I

¯^B0,I

¯^C0 S¨ahk¨overkon nollaj¨arjestelm¨an virtavektorit

¯I^A1,I

¯^B1,I

¯^C1 S¨ahk¨overkon my¨ot¨aj¨arjestelm¨an virtavektorit

¯I^A2,I

¯^B2,I

¯^C2 S¨ahk¨overkon vastaj¨arjestelm¨an virtavektorit I_coil Kuristimen k¨a¨amin l¨api kulkeva virta

Id Taajuusmuuttajan v¨alipiirin virta I_F Diodin my¨ot¨asuuntainen virta

I_{F SM} 10 millisekunnin sinimuotoisen virtapiikin huippuarvo ili Kulkuaallon virta

ˆiLI Salamavirta

I_load S¨ahk¨overkon kuorman s¨ahk¨overkosta ottama virta

I_{RM S} AC-kuristimen l¨api kulkevan jatkuva-aikaisen virran RMS-arvo Iv Varistorin virta

I₀ Salamavirran huippuarvo

J Virrantiheys

k Varistorin keraaminen vakio

L Induktanssi

L_r Transienttiylij¨annitteen nousuajan s¨a¨at¨okela Lt S¨ahk¨overkon siirtokaapelin induktanssi L₁, L₂ DC-kuristimet

M Matriisi

P P¨at¨oteho

P_coil Kuristimen l¨amp¨oh¨avi¨ot P_m S¨ahk¨omoottorin akseliteho

Qcapacitor Kompensointikondensaattoripatteriston teho

R Resistanssi

R_c Transienttiylij¨annitesimulaattorin latausvastus RDC Kuristimen DC-resistanssi

R_m K¨aytt¨oymp¨arist¨o¨on perustuva vakioimpedanssi R_s1, R_s2 Transienttiylij¨annitteen pulssimuodon s¨a¨at¨ovastukset

T Jaksonaika

t aika

t₁−t₆ Pulssinleveysmodulaation pulssien ajalliset kestot T_J Diodin pn-liitoksen l¨amp¨otila

T S1. . . T S6 Simulointimallin ideaaliset kytkimet TS1:st¨a TS6:een U_A, U_B, U_C S¨ahk¨overkon vaihej¨annitteet

U_{AV G} S¨ahk¨overkon keskim¨a¨ar¨ainen j¨annite U_BR Diodin l¨apily¨ontij¨annite

U_cap Kondensaattorin j¨annite

U_capacitor Kompensointikondensaattoripatteriston yli oleva j¨annite U_d V¨alipiirin j¨annite

U_F Diodin my¨ot¨asuuntainen j¨annite U_k Diodin kynnysj¨annite

U_L S¨ahk¨overkon p¨a¨aj¨annite u_li Kulkuaallon j¨annite ˆ

u_LI Salaman aiheuttama ylij¨annite

U_load S¨ahk¨overkon kuorman yli oleva j¨annite

U_p Pulssinleveysmodulaation ulostuloj¨annitteen suuruus U_phase S¨ahk¨overkon vaihej¨annitteen RMS-arvo

u_r Venttiilisuojan j¨a¨ann¨osj¨annite

U_{RM S} Pulssinleveysmodulaation ulostuloj¨annitteen RMS-arvo U¯^r0,U

¯^r1,U

¯^r2 S¨ahk¨overkon nolla-, my¨ot¨a- ja vastaj¨arjestelm¨a u_s Venttiilisuojan syttymisj¨annite

U_source J¨annitel¨ahde U_v Varistorin j¨annite

U_zs S¨ahk¨overkon j¨anniteh¨avi¨o

U₁, I₁;U₂, I₂ Varistorin toiminta-alueen mittauspisteet

U_ψ Normaalista poikkeavan s¨ahk¨overkon vaihej¨annitteen RMS-arvo V_RRM Diodin maksimi jatkuva estosuuntainen j¨annite

X Reaktanssi

X_C V¨alipiirin kondensaattorien reaktanssi

x_C,N Taajuusmuuttajan v¨alipiirin kondensaattorien suhteellinen reaktanssi x_L,N Taajuusmuuttajan AC-puoleisen kuristimen suhteellinen reaktanssi X_L Kuristimen reaktanssi

X₁, X₂ DC-kuristimen + kiskon liitynt¨apisteet Y₁, Y₂ DC-kuristimen - kiskon liitynt¨apisteet

Z Impedanssi

ZnO Sinkkioksidi

Z_b,N Taajuusmuuttajan AC-puoleisen s¨ahk¨overkon referenssi-impedanssi Z_line S¨ahk¨overkon impedanssi

Z_load S¨ahk¨overkon kuorman impedanssi

Z_s Aaltoimpedanssi

Z_source S¨ahk¨overkon impedanssi

Z_% S¨ahk¨overkon prosentuaalinen impedanssi

Kerrannaisyksik¨ ot

M Mega k Kilo m Milli µ Mikro n Nano p Piko

Kreikkalaiset symbolit

α_h Varistorin hyvyyskerroin

αsic Piikarbidivaristorin hyvyyskerroin α_t, β_t Salamavirran vaimennuskertoimet β_zno Sinkkioksidivaristorin hyvyyskerroin Neperin luku

η_motor S¨ahk¨omoottorin hy¨otysuhde µ Permeabiliteetti

µc Syd¨anmateriaalin permeabiliteetti

π Pii

Φ Magneettivuo

ψi J¨annitekuopan ajanhetki ω Kulmataajuus

Lyhenteet

ABB Asea Brown Boveri AC Alternating Current

ANSI American National Standards Institute CDF Cyclic Duration Factor

DC Direct Current

EUT Equipment Under Test

gG Yleisk¨aytt¨o¨on tarkoitettu sulaketyyppi IEC International Electrotechnical Commission IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

MCMK Kuparijohtiminen PVC-eristeinen kaapelityyppi OTD Optical Transient Detector

pu Per Unit

PWM Pulse Width Modulation rad Radiaani

RMS Root Mean Square RPM Rounds Per Minute

SFS-EN Suomessa voimassa oleva eurooppalainen standardi

SiC Piikarbidi Std Standard

UDC V¨alipiirin j¨annite

UL Underwriters Laboratories Inc.

VSI Voltage Source Inverter ZnO Sinkkioksidi

S¨ahk¨overkon toiminnalla on hyvin keskeinen osa teollisuuden infrastruktuurissa.

S¨ahk¨overkkoon liitet¨a¨an yh¨a enemm¨an kulutuselektroniikkaa, jonka normaalin toi- minnan kannalta s¨ahk¨overkon luotettavuudella ja s¨ahk¨on laadulla on merkitt¨av¨a rooli. Muun muassa teollisuudessa s¨ahk¨omoottorien ohjauksessa k¨aytett¨avien taa- juusmuuttajien toiminta perustuu vahvasti h¨airi¨ott¨om¨an s¨ahk¨overkon kykyyn toi- mittaa taajuusmuuttajien tarvitsema energia. Esimerkiksi s¨ahk¨overkossa ilmaantu- vat erilaiset ylij¨annitteet voivat aiheuttaa pysyvi¨a vaurioita teollisuuden prosesseissa k¨aytett¨aviin taajuusmuuttajak¨aytt¨oihin, ja aiheuttaa merkitt¨avi¨a taloudellisia me- netyksi¨a.

ABB:n valmistamien taajuusmuuttajien markkina-alue kattaa koko maailman. N¨ain ollen taajuusmuuttajien s¨ahk¨overkon puoleinen k¨aytt¨oymp¨arist¨o on erilainen riip- puen siit¨a, miss¨a maanosassa taajuusmuuttajia k¨aytet¨a¨an. S¨ahk¨overkon laaduntark- kailu ja regulaatio parantavat s¨ahk¨overkon luotettavuutta, jonka vaikutukset n¨aky- v¨at s¨ahk¨overkon loppuk¨aytt¨ajien s¨ahk¨ok¨ayt¨oiss¨a. Eurooppalainen s¨ahk¨overkon laa- tua k¨asittelev¨a standardi SFS-EN 50160 m¨a¨arittelee konkreettiset raja-arvot j¨an- nitteen ominaisuuksista taajuudelle, j¨anniterajoille, yliaaltopitoisuuksille, nopeille j¨annitemuutoksille, j¨annite-ep¨asymmetrialle ja ohjausj¨annitetasoille [1]. Tarkan s¨ah- k¨overkon regulaation ansiosta esimerkiksi Euroopassa n¨aht¨av¨at taajuusmuuttajien vikatyyppien tilastolliset jakaumat poikkeavat muiden maanosien vikaantumistilas- tojen jakaumasta.

Intiassa lis¨a¨antyv¨a ep¨alineaaristen laitteiden k¨aytt¨o s¨ahk¨overkossa on johtanut s¨ah- k¨on laadun heikkenemiseen. Er¨a¨ass¨a Intian s¨ahk¨on laatuun liittyv¨ass¨a tutkimukses- sa on selvinnyt, ett¨a mit¨a¨an konkreettisia toimenpiteit¨a ei ole tehty s¨ahk¨on laadun parantamiseksi, eik¨a mit¨a¨an s¨ahk¨on laatuun kantaa ottavaa standardia ole pakotet- tu k¨aytt¨am¨a¨an [2]. Yhdysvalloissa k¨aytett¨avi¨a s¨ahk¨on laatuun liittyvi¨a standarde- ja puolestaan on kattava m¨a¨ar¨a, joista esimerkkin¨a voidaan mainita s¨ahk¨overkon yliaaltoja k¨asittelev¨a standardi IEEE 519-1992 [3]. Yhdysvalloissa kolmivaiheisen pienj¨anniteverkon p¨a¨aj¨annitetasot ovat kuitenkin korkeammat kuin Euroopassa, jo- ten taajuusmuuttajien j¨anniterasitukset ovat Yhdysvalloissa toisenlaisia.

S¨ahk¨overkon h¨airi¨otilanteissa ilmajohdon maasulku on yleinen johtovika. Johdon maasulkuvikoja aiheuttavat p¨a¨as¨a¨ant¨oisesti salamaniskut [4, s. 272], jotka aiheut- tavat my¨os s¨ahk¨overkkoon liitettyjen laitteiden kannalta haitallisia ylij¨annitteit¨a.

Suurten s¨ahk¨omoottorikuormien k¨aynnistystilanteissa tai moottorik¨aytt¨ojen h¨airi¨o- tilanteissa s¨ahk¨overkon j¨annite saattaa pudota hetkellisesti nimellisarvostaan [5, s. 25]. N¨am¨a hetkelliset j¨annitteenalenemat, niin kutsutut j¨annitekuopat vaikut- tavat taajuusmuuttajan sy¨ott¨oj¨annitteeseen ja sit¨a kautta taajuusmuuttajan DC- v¨alipiirin toimintaan ja taajuusmuuttajan moottorin ohjaukseen. Hetkelliset j¨an- nitteen kohoumat nostavat vastakohtaisesti verkkoj¨annitteen nimellist¨a arvoa, kun s¨ahk¨overkosta kytkeytyy suuri induktiivinen kuorma irti tai s¨ahk¨overkon h¨airi¨otila aiheuttaa terveiden vaiheiden hetkellisen j¨annitteen nousun. Muun muassa Intiassa

kasvava s¨ahk¨onkysynt¨a aiheuttaa stabiiliusongelmia Intian s¨ahk¨onjakeluj¨arjestelm¨al- le, mink¨a seurauksena herkkiin elektronisiin laitteisiin voi kohdistua s¨ahk¨okatkojen, j¨annitekuoppien ja j¨annite-ep¨asymmetrian aiheuttamia rasitteita [2].

Taajuusmuuttajien rakenteellisten erojen takia laitteissa n¨ahd¨a¨an tyyppikohtaises- ti hyvin erilaisia vikaantumisia. Tyypillisesti taajuusmuuttajissa k¨aytet¨a¨an kuristi- mia, joilla suodatetaan taajuusmuuttajan verkkoon aiheuttamia harmonisia yliaal- toja. Kuristimen ominaisuuksilla on my¨os vaikutusta taajuusmuuttajan toimintaan nopeissa s¨ahk¨oisiss¨a muutostiloissa. T¨ass¨a ty¨oss¨a tutkittavissa taajuusmuuttajaper- heen laitteissa kuristin on erillinen yksikk¨o, joka on saatavana optiona laitteeseen.

1.1 Tutkimuskysymys ja ty¨ on tavoitteet

Taajuusmuuttajan ylij¨annitesuojauksesta on aiempaa tutkimustietoa tehty muun muassa taajuusmuuttajan ylij¨annitesuojauksessa toimivista metallioksidivaristoreis- ta. Aiempina vuosina on my¨os simuloitu kuristimen induktanssin ja taajuusmuutta- jaa suojaavien metallioksidivaristorien yhteist¨a suojausvaikutusta transienttiylij¨an- nitteit¨a vastaan. Simuloinneissa on mitattu kuristimen, tasasuuntausdiodien sek¨a DC-v¨alipiirin j¨annite- ja virtatasoja.

T¨ass¨a diplomity¨oss¨a tutkitaan s¨ahk¨overkossa esiintyvien eri tyyppisten h¨airi¨oiden vaikutuksia AC-kuristimella varustetun j¨annitev¨alipiirillisen taajuusmuuttajan toi- mintaan. Simulointimallien ja laboratoriotutkimusten avulla tutkitaan, voivatko ty¨os- s¨a k¨asitellyt s¨ahk¨overkon h¨airi¨otilat aiheuttaa vaurioita taajuusmuuttajan tasasuun- taussillassa. Ty¨oss¨a selvitet¨a¨an my¨os taajuusmuuttajan suojauksessa k¨aytett¨av¨an rautasyd¨amisen 3 %:n AC-kuristimen suojaavien ominaisuuksien vaikutuksia s¨ah- k¨overkon transienttiylij¨annitteit¨a, kytkent¨atransientteja, j¨annitekuoppia, j¨annitteen kohoumia ja j¨annite-ep¨asymmetriaa vastaan.

1.2 Ty¨ on rakenne

Ty¨on alussa k¨asitell¨a¨an j¨annitev¨alipiirillisen taajuusmuuttajan toimintaperiaate ja k¨ayd¨a¨an l¨api s¨ahk¨overkon h¨airi¨oiden teoreettinen tausta. Ty¨oss¨a tutkittavat s¨ahk¨o- verkon h¨airi¨ot taajuusmuuttajak¨ayt¨oss¨a ovat transienttiylij¨annitteet, kytkent¨atran- sientit, j¨annitekuopat ja j¨annitteen kohoumat sek¨a kolmivaihes¨ahk¨overkon j¨annite- ep¨asymmetria. T¨am¨an j¨alkeen esitell¨a¨an tutkimuksessa k¨aytett¨av¨at s¨ahk¨overkon h¨airi¨oiden sek¨a taajuusmuuttajan toimintaan perustuvat simulointimallit, joiden avulla simuloidaan s¨ahk¨overkon h¨airi¨oiden vaikutuksia kolmivaiheisella saturoitu- valla AC-kuristimella varustettuun taajuusmuuttajaan. Ty¨on lopussa k¨asitell¨a¨an si- mulointitulokset ja tehd¨a¨an johtop¨a¨at¨okset taajuusmuuttajaa suojaavan kuristimen suojausvaikutuksista s¨ahk¨overkon h¨airi¨otilanteissa.

2 Teoreettinen tausta ja aiempi tutkimustieto

T¨ass¨a luvussa esitet¨a¨an j¨annitev¨alipiirillisen taajuusmuuttajan toimintaperiaate, k¨ay- d¨a¨an l¨api s¨ahk¨overkossa ilmenev¨at taajuusmuuttajan kannalta olennaiset s¨ahk¨over- kon h¨airi¨ot ja esitet¨a¨an taajuusmuuttajan suojaukseen k¨aytett¨avi¨a suojalaitteita.

Luvun lopussa k¨asitell¨a¨an taajuusmuuttajan AC- ja DC-kuristinratkaisuja.

2.1 J¨ annitev¨ alipiirillisen taajuusmuuttajan toimintaperiaa- te

AC-s¨ahk¨omoottorien ohjauksessa k¨aytett¨avien taajuusmuuttajien k¨aytt¨o on kasva- nut merkitt¨av¨asti viime vuosina. kolmivaiheisella dioditasasuuntaajalla varustetut j¨annitev¨alipiirilliset invertterit (VSI, Voltage Source Inverter) ovat suosituimmat pieni- ja keskitehoisten taajuusmuuttajien k¨aytt¨omuodot. [6]

Taajuusmuuttaja on s¨ahk¨otekninen laite, jonka teht¨av¨an¨a on ohjata muun muas- sa s¨ahk¨omoottorilla toimivia pumppusovelluksia, liukuhihnakuljettimia ja nosturei- ta [7, s. 197]. Kuvassa 1 on esitetty tavallisen kolmivaiheista AC-s¨ahk¨omoottoria ohjaavan j¨annitev¨alipiirillisen taajuusmuuttajan topologia.

M

Sähköverkko

Tasasuuntaussilta DC-välipiiri IGBT-vaihtosuuntaaja

Sähkömoottori

Kuva 1: J¨annitev¨alipiirillisen taajuusmuuttajan topologia.

Kolmivaihesy¨otetyn taajuusmuuttajan symmetrisen s¨ahk¨overkon kolmivaihej¨arjes- telm¨a voidaan kuvata napakulmamuodossa

U_A =U_phase∠0^◦, U_B =U_phase∠−120^◦, U_C =U_phase∠−240^◦ (1)

jossa U_phase on vaihej¨annitteen RMS-arvo. Vaihej¨annite A on oletettu olevan refe- renssij¨annitteen¨a 0 kulmassa. [8, luku 2, s. 11]

Kuvassa 2 on esitetty symmetrisen kolmivaihej¨arjestelm¨an j¨annitteet osoitinmuo- dossa kompleksitasossa.

U U

U

ω/ rad

-90°

180° 0°

90°

A

B C

Kuva 2: Symmetrisen kolmivaihej¨arjestelm¨an osoittimet.

Kolmivaiheinen s¨ahk¨oteho sy¨otet¨a¨an s¨ahk¨overkon puolelta taajuusmuuttajan dio- ditasasuuntaussiltaan, joka muuttaa s¨ahk¨overkon vaihtoj¨annitteen tasaj¨annitteeksi.

DC-v¨alipiiriss¨a tasasuunnattu vaihtoj¨annite suodatetaan, mink¨a j¨alkeen suodatetus- ta tasaj¨annitteest¨a tehd¨a¨an vaihtosuuntauksessa halutun taajuista vaihtoj¨annitett¨a s¨ahk¨omoottorin ohjaukseen. [9, s. 26]

2.1.1 Tasasuuntaus

Hyvin yleinen tapa toteuttaa AC-j¨annitteell¨a toimivan taajuusmuuttajan tasasuun- taus on k¨aytt¨a¨a kolmivaiheista verkkokommutoivaa 6-pulssista tasasuuntaussiltaa [9, s. 81–82]. Kommutointi tarkoittaa tasasuuntaussillassa olevan diodin virran siir- tymist¨a toiselle samassa piiriss¨a olevalle diodille [10, s. 128]. Verkkokommutoinnissa sy¨ott¨av¨ast¨a s¨ahk¨overkosta saadaan kommutoinnissa tarvittava kommutointij¨annite [11, s. 35].

Tasasuuntauksessa k¨aytett¨av¨at diodit ovat puolijohteita, jotka rakentuvat p- ja n- tyypin materiaaleista. Materiaalina k¨aytet¨a¨an tyypillisesti piit¨a. Kun diodin anodi- katodi-j¨annite on positiivinen, diodin sanotaan olevan p¨a¨ast¨osuunnassa. P¨a¨ast¨osuun- nassa diodin l¨api kulkee my¨ot¨asuuntainen virta I_F (forward current), jonka arvo m¨a¨ar¨aytyy diodin my¨ot¨asuuntaisen j¨annitteen arvosta U_F (forward voltage). My¨o- t¨asuuntaisen j¨annitteen noustessa my¨ot¨asuuntainen virta kasvaa asteittaisesti. Kun my¨ot¨asuuntaisen j¨annitteen arvo ylitt¨a¨a diodin kynnysj¨annitteen arvon U_k (knee voltage), diodin l¨api kulkeva virta kasvaa nopeasti. Virran ollessa suurempi kuin diodin nimellinen virta m¨a¨ar¨atyss¨a l¨amp¨otilassa, my¨ot¨asuuntainen virta aiheuttaa pn-liitoksessa ylim¨a¨ar¨aist¨a l¨ampenemist¨a. Virran kasvaessa edelleen pn-liitos l¨ampe- nee ja lopulta korkea l¨amp¨otila tuhoaa diodin [12, s. 92, 93, 98].

Diodi ei johda virtaa sen ollessa estosuunnassa. Normaalisti diodin estosuuntai- nen virta on hyvin pieni. Estosuuntaista virtaa kutsutaan my¨os diodin vuotovir- raksi. Diodin vuotovirta pysyy l¨ahes vakiona estosuuntaisen j¨annitteen kasvaessa.

Estosuuntaisen j¨annitteen ylitt¨aess¨a diodin l¨apily¨ontij¨annitteen rajan U_BR (voltage breakdown), diodin l¨api kulkeva estosuuntainen virta kasvaa nopeasti. [12, s. 99]

2.1.2 DC-v¨alipiiri

Tasaj¨annitev¨alipiirin teht¨av¨an¨a on tuottaa mahdollisimman tasaista DC-j¨annitett¨a IGBT-vaihtosuuntausta varten. V¨alipiirin tasaj¨annitteen tasoittamiseen k¨aytett¨avi¨a komponentteja ovat tyypillisesti kondensaattorit ja kuristin. Kondensaattorit ovat matalaimpedanssisia komponentteja v¨alipiirin virran aaltoilulle. Ne varastoivat ener- giaa ja tasoittavat DC-j¨annitteen pulssimuotoa v¨alipiirin j¨annitteen pudotessa [13].

Taajuusmuuttajan v¨alipiiriss¨a toimivan kelan avulla on mahdollista my¨os rajoittaa kondensaattorien ottamaa latausvirtaa [14, s. 172], mik¨ali taajuusmuuttajan v¨ali- piiriss¨a k¨aytet¨a¨an kelaa. DC-v¨alipiiriss¨a j¨annitteen tasoittamiseen osallistuvaa kelaa kutsutaan my¨os DC-kuristimeksi. V¨alipiiriss¨a k¨aytett¨av¨at kondensaattorit ovat hy- vin usein elektrolyyttikondensaattoreita, joiden kapasitanssiarvot ovat suuria ja itse kondensaattorin fyysinen koko on pieni. Kondensaattorien sis¨alt¨am¨a energia voidaan lausua yht¨al¨oll¨a

E_cap= 1

2C_capU_cap² (2)

jossa C_cap on kondensaattorin kapasitanssi ja U_cap on kondensaattorin yli oleva j¨annite. Elektrolyyttikondensaattori muodostaa s¨ahk¨okemiallisen reaktion tulokse- na ohuen oksidikerroksen kondensaattorin sis¨all¨a olevan metallin pinnalle. Kon- densaattorin elektrolyytit voivat olla alumiinia tai tantaalia [15, s. 515–516]. DC- v¨alipiirin kondensaattorien koko tulisi olla mahdollisimman suuri, mik¨ali laite ha- lutaan suunnitella kest¨am¨a¨an s¨ahk¨overkon h¨airi¨oiden ja kytkent¨atapahtumien ai- heuttamia transienttiylij¨annitteit¨a. Kondensaattorien koko vaikuttaa my¨os v¨alipii- rin j¨annitteen aaltoisuuteen, joten suuremmilla kondensaattoreilla v¨alipiirin j¨annit- teen aaltoisuutta on mahdollista v¨ahent¨a¨a. Suurilla kondensaattorien kapasitanssien arvoilla voidaan my¨os parantaa laitteen kyky¨a toimia hetkitt¨aisiss¨a s¨ahk¨okatkoksis- sa tai s¨ahk¨overkon j¨annitekuopissa. Tyypillisesti taajuusmuuttajat on varustettu DC-kondensaattoreilla, joiden kapasitanssien arvot vaihtelevat 75–367 pF kilowattia kohden. Yli 136 pF:n kondensaattorit kilowattia kohden ovat tyypillisimm¨at kon- densaattorien kokoluokat taajuusmuuttajak¨ayt¨oiss¨a [16, s. 492].

Taajuusmuuttajan k¨aynnistyess¨a kondensaattorien latausvirtaa rajoittaa mahdolli- sen kuristimen lis¨aksi v¨alipiirin kondensaattorien latausvastus [17], joka ohitetaan releen avulla kondensaattorien latauduttua [18, s. 95]. V¨alipiirin kuristimen vai- kutuksesta my¨os tasasuuntaussillan aiheuttamaa yliaaltopitoisuutta on mahdollista

v¨ahent¨a¨a [14, s. 172]. DC-v¨alipiirin j¨annite ei ole tasaista, sill¨a tasasuuntauksen j¨al- keen v¨alipiiriss¨a esiintyy sy¨ott¨opuolen vaihtoj¨annitteen aaltomuotoja.

Jokaisella 50 Hz:n vaihtoj¨annitteen syklill¨a DC-j¨annitteess¨a on n¨aht¨aviss¨a kuusi j¨an- nitepulssia. Keskim¨a¨ar¨ainen DC-j¨annitteen suuruus voidaan laskea yht¨al¨on 3 mukai- sesti

U_d= 3π√ 2

π U_L≈1,35U_L (3)

jossa U_d on v¨alipiirin j¨annite ja U_L on sy¨ott¨opuolen p¨a¨aj¨annite. [19]

2.1.3 Vaihtosuuntaus pulssinleveysmodulaatiolla

Taajuusmuuttajan vaihtosuuntauksessa kolmivaihes¨ahk¨omoottorille generoidaan sen tarvitsema halutun taajuinen vaihtoj¨annite. Ohjaamalla vaihtosuuntaajan transis- torien kytkent¨asekvenssej¨a p¨a¨alle ja pois p¨a¨alt¨a, voidaan kehitell¨a halutun taajuista sinimuotoista vaihtoj¨annitett¨a [20, s. 180]. S¨ahk¨omoottorin ohjaus voidaan toteut- taa muun muassa IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) -komponenteilla [21, s.

32], jossa IGBT-kytkimi¨a ohjataan pulssinleveysmodulaatiolla (PWM, Pulse Width Modulation) [22, s. 123]. Pulssinleveysmodulaatiossa vaihtosuuntaajan ulostuloj¨an- nitteen pulssien hy¨otyaikaa (duty cycle) tai nollakohtia muutetaan. Ulostuloj¨annit- teiden pulssien CDF-kerroin (Cyclic Duration Factor) on yhden puolijakson sis¨alt¨a- mien pulssien johtoaikojen suhde puolijakson pituuteen. T¨am¨a voidaan m¨a¨aritell¨a yht¨al¨oll¨a

CDF = t1+t2+t3+t4+t5+t6

T (4)

jossat₁,t₂, . . .t₆ ovat pulssien leveyksien ajalliset kestot yhdess¨a puolijaksossa. Jos U_p on ulostuloj¨annitteen pulssien j¨annitteen suuruus, niin AC-muotoisen ulostulos- j¨annitteen RMS-arvon suuruus on

(U_{RM S})² =CDF ×U_p² (5)

U_{RM S} =U_p×√

CDF (6)

Muuttamalla CDF-kerrointa (esimerkiksi muuttamalla AC-ulostuloj¨annitteen puls- sinleveyksi¨a), voidaan ulostuloj¨annitteen U_{RM S} arvoa muuttaa. [22, s. 123]

t2

t1 t3 t4 t5 t6

UMAX U URMS

Kuva 3: Pulssinleveysmodulaation periaate.

2.2 S¨ ahk¨ overkon h¨ airi¨ ot

S¨ahk¨overkossa tapahtuva h¨airi¨o aiheuttaa tilap¨aisen poikkeaman s¨ahk¨overkon nor- maaliin toimintaan. H¨airi¨ot ovat tyypillisesti lyhytaikaisia ja ¨akillisi¨a muutoksia s¨ah- k¨oj¨arjestelm¨ass¨a [23, s. 333]. S¨ahk¨overkon alueellisella sijainnilla, ymp¨arist¨otekij¨oil- l¨a, kuormitustasolla, rakenteella ja inhimillisill¨a osatekij¨oill¨a on vaikutus s¨ahk¨over- kon h¨airi¨oalttiuteen [24, s. 8–10]. Pahimmassa tapauksessa s¨ahk¨overkossa tapahtuva h¨airi¨o aiheuttaa s¨ahk¨okatkon tai pidempiaikaisen poikkeaman s¨ahk¨overkon kulutta- japisteen j¨annite- ja taajuussymmetriassa [24, s. 7].

2.2.1 Pientaajuiset yli- ja alij¨annitteet

Pientaajuiset ylij¨annitteet syntyv¨at yleens¨a s¨ahk¨overkossa tapahtuvien kytkent¨aope- raatioiden yhteydess¨a tai s¨ahk¨overkon tilan muutoksista. Pientaajuisia ylij¨annittei- t¨a aiheuttavat verkossa tapahtuvat maasulut, verkkoon kytketyn kuorman ¨akillinen poiskytkeminen, johdon kapasitiivisen virran aiheuttama j¨annitteen nousu johdossa sek¨a resonanssi ja ep¨alineaaristen verkkokomponenttien vaikutukset. S¨ahk¨overkon t¨ahtipisteen maadoitustapa vaikuttaa ylij¨annitteiden suuruuteen, kun ylij¨annitteen aiheuttajana on maasulku. Maasta erotetuissa ja sammutetuissa verkoissa saattaa terveiden vaiheiden ja maan v¨alinen j¨annite kohota maasulun aikana suuremmaksi kuin vaiheiden v¨alinen j¨annite s¨ahk¨overkon normaalitilassa [25, s. 13–14]. Alij¨annit- teit¨a puolestaan aiheuttavat verkosta irti kytketyt johdot, s¨ahk¨overkkoon kytketyn kuorman ¨akillinen p¨a¨allekytkent¨a ja s¨ahk¨overkon ylikuormittaminen. Alij¨annitteet saattavat aiheuttaa muun muassa vakionopeudella toimivien s¨ahk¨omoottorien yli- kuumenemista virrantiheyden kasvaessa ja s¨ahk¨overkossa toimivien laitteiden toi- mintah¨airi¨oit¨a [26, s. 127].

2.2.2 Transienttiylij¨annitteet

Transienttiylij¨annitteet ovat voimakkaasti vaimenevia ja lyhytaikaisia ylij¨annittei- t¨a. Ne voidaan jakaa loiviin, jyrkkiin ja eritt¨ain jyrkkiin ylij¨annitelajeihin. Jyrk¨at transienttiylij¨annitteet saavuttavat huippuarvonsa muutamassa mikrosekunnissa ja vaimenevat sitten muutaman kymmen mikrosekunnin kuluessa. Loivat transienttiy- lij¨annitteet ovat kestoltaan huomattavasti pidempi¨a. Niiss¨a huippuarvo saavutetaan yleens¨a satojen mikrosekuntien kuluessa ja vaimeneminen tapahtuu millisekunneis- sa. Eritt¨ain jyrkiss¨a transienttiylij¨annitteiss¨a pulssin rintaosan nousuaika on nano- sekuntien luokkaa. [25, s. 11–12]

Loivilla transienttiylij¨annitteill¨a tarkoitetaan verkon ¨akillisiss¨a tilanmuutoksissa ta- soitusilmi¨oin¨a syntyvi¨a ylij¨annitteit¨a. T¨allaisia tilanmuutoksia ovat muun muassa erilaisten vikatapausten syntyminen sek¨a niiden vuoksi tai muusta syyst¨a verkossa suoritetut kytkent¨atoimenpiteet, kuten virtapiirin avaaminen tai sulkeminen katkai- sijalla [25, s. 19]. S¨ahk¨overkossa hyvin yleinen kytkent¨atapahtuma on kompensointi- kondensaattorien kytkeminen p¨a¨alle tai pois p¨a¨alt¨a. Kompensointikondensaattorei- ta k¨aytet¨a¨an s¨ahk¨overkossa tuottamaan reaktiivista tehoa, jolla pyrit¨a¨an tukemaan verkon j¨annitett¨a ja pienent¨am¨a¨an verkon tehoh¨avi¨oit¨a [27, s. 111].

V¨ar¨ahtelevi¨a transienttiylij¨annitteit¨a syntyy, kun verkossa k¨aytett¨av¨at kompensoin- tikondensaattorit kytkeytyv¨at p¨a¨alle [27, s. 111–112]. Usein kompensointikonden- saattorien kytkent¨atransientit eiv¨at aiheuta ongelmia s¨ahk¨onjakeluj¨arjestelm¨ass¨a, mutta tietyn tyyppiset s¨ahk¨overkon rakenteet voivat johtaa paikallisiin ylij¨annitere- sonansseihin [28]. Mik¨ali s¨ahk¨overkon kompensointikondensaattoreita on sijoitettu l¨ahelle loppuk¨aytt¨aji¨a pienj¨anniteverkkoon, voivat n¨am¨a pienj¨anniteverkon kompen- sointikondensaattorit suurentaa jakelumuuntajan l¨api kulkevia transienttiylij¨annit- teit¨a. Keskij¨anniteverkossa kytkettyjen kompensointikondensaattorien aiheuttamat transienttiylij¨annitteet voivat aiheuttaa pienj¨annites¨ahk¨overkossa korkeita ylij¨annit- teit¨a, jotka ovat haitallisia pienj¨anniteverkkoon kytketyille laitteille [27, s. 113–114], [28], [29]. V¨ar¨ahtelevien transienttiylij¨annitteiden suuruus voi olla kaksinkertainen nimelliseen k¨aytt¨oj¨annitteeseen verrattuna, kun kompensointikondensaattorit kyt- keytyv¨at p¨a¨alle vaihtoj¨annitteen huippuarvossa. Ylij¨annitteiden suuruuteen vaikut- taa my¨os muun muassa kompensointikondensaattorien koko [28]. Kompensointikon- densaattorien aiheuttaman teoreettisen ylij¨annitteen huippuarvoa rajoittaa kuiten- kin s¨ahk¨oj¨arjestelm¨an impedanssi [30].

Taajuusmuuttajat, joiden v¨alipiirin kondensaattorien koko on suuri, ovat herkimpi¨a kompensointikondensaattorien aiheuttamille kytkent¨atransienteille. Taajuusmuutta- jan v¨alipiirin kondensaattorit ovat osana LC-piiri¨a, jossa induktanssi muodostuu taa- juusmuuttajan ja kytketyn kompensointikondensaattorin v¨alisest¨a induktanssista.

LC-piirin resonanssi voi saada her¨atteen kompensointikondensaattorien kytkeytyes- s¨a p¨a¨alle. Kytkent¨atapahtuman seurauksena taajuusmuuttajan DC-v¨alipiirin kon- densaattoreihin kulkee suuri sy¨oksyvirta, joka suurentaa taajuusmuuttajan v¨alipii- rin DC-j¨annitett¨a. DC-v¨alipiirin j¨annitteen nousu aiheuttaa tietyn rajan ylitt¨aes-

s¨a taajuusmuuttajan vikaantumisen DC-ylij¨annitteeseen, joka on taajuusmuuttajan suojaustoiminto DC-v¨alipiirin ylij¨annitetilanteessa [28]. Kompensointikondensaat- torien kytkent¨atapahtumien aiheuttamien transienttiylij¨annitteiden intensiteetti on muihin transienttiylij¨annitteisiin verrattaessa pienempi, mutta niiden kesto on vas- taavasti pidempi [31].

Kolmivaiheisen s¨ahk¨overkon kompensointikondensaattorit voidaan kytke¨a joko t¨ah- teen tai kolmioon. Pienj¨anniteverkossa on tyypillist¨a, ett¨a kompensointikondensaat- torit kytket¨a¨an kolmioon, sill¨a kolmivaiheisen pienj¨anniteverkon t¨ahtikytkent¨aisten kompensointikondensaattorien tuottama reaktiivinen teho on vain kolmannes kol- miokytketyn kompensointikondensaattorien tuottamasta reaktiivisesta tehosta [32, s. 68].

Jyrkkien transienttiylij¨annitteiden aiheuttajia ovat tyypillisesti ukkosen synnytt¨a- m¨at salamapurkaukset. Salamapurkaukset voivat johtua joko suoraan s¨ahk¨on siir- rossa ja jakelussa k¨aytett¨aviin avojohtoihin tai niiden v¨alitt¨om¨a¨an l¨aheisyyteen osu- neesta salamaniskusta. Mik¨ali salamapurkaus osuu avojohdon l¨aheisyyteen, puhu- taan normaalisti indusoituneista ylij¨annitteist¨a. Suoraan avojohtoon osuva salama- nisku aiheuttaa salamavirran suuruuden takia l¨ahes aina ylily¨onnin tai jopa useam- pivaiheisen ylily¨onnin vaiheen ja maan v¨alisess¨a eristyksess¨a. [25, s. 23]

Mik¨ali salama p¨a¨atyy suoraan vaihejohtimeen, ylij¨annitteen suuruus m¨a¨ar¨aytyy sa- lamavirran ˆi_LI ja johdon aaltoimpedanssin Z_s perusteella yht¨al¨ost¨a 7. Yht¨al¨on ker- toimen ¹₂ aiheuttaa se, ett¨a puolet s¨ahk¨ojohtoon osuneesta salamavirrasta etenee kumpaankin suuntaan johtoa pitkin. [25, s. 23–25]

u_li = 1

2 ×Z_sˆi_LI (7)

Salamaiskun aiheuttama kulkuaalto etenee avojohdoilla l¨ahes valonnopeudella. Kul- kuaallon edetess¨a siirtojohdolla, johdon l¨amp¨oh¨avi¨ot RI² ja koronah¨avi¨ot vaimen- tavat asteittain salamaiskun aiheuttamaa kulkuaaltoa, jonka j¨annitteen huippuarvo lopulta pienenee kulkuaallon alkuarvosta [33, s. 713–714]. Kulkuaallon vaimennus on pient¨a, mik¨ali s¨ahk¨onsiirtojohdolla on pieni resistanssi tai suuri ominaisimpedans- si. S¨ahk¨o¨a siirt¨av¨an johdon ominaisimpedanssi voidaan lausua kulkuaallon virran ja j¨annitteen suhteena

u_li i_li =

rL_t

C_t (8)

jossau_li on kulkuaallon j¨annite, i_li on kulkuaallon virta ja L_t sek¨a C_t ovat kaapelin tai johdon induktanssi ja kapasitanssi [34, s. 34, 37]. Esimerkiksi jakeluverkon siirto-

johdon ominaisimpedanssin Z = 375 Ω:n arvolla 100 kV:n j¨annitteen huippuarvon kulkuaallon teho voi olla 26,7 MW. Vaikka kulkuaallon ajallinen kesto on yleens¨a lyhyt (mikrosekunneista millisekunteihin), voi kulkuaallon energiasis¨alt¨o ylt¨a¨a muu- tamiin megajoulen arvoihin. T¨am¨an kaltainen tilanne saattaa aiheuttaa merkitt¨avi¨a vaurioita s¨ahk¨overkkoon liitettyiss¨a laitteissa [34, s. 35, 36].

S¨ahk¨overkon ep¨ajatkuvuuskohdissa, kuten auki olevissa virtapiireiss¨a tai oikosulku- kohdissa, osa kulkuaallon sis¨alt¨am¨ast¨a energiasta siirtyy ep¨ajatkuvuuskohdan l¨api ja osa heijastuu takaisin kulkuaallon tulosuuntaan [34, s. 43]. Kapasitiivisissa ja induktiivisissa s¨ahk¨onjakeluj¨arjestelmiss¨a ylij¨annitteit¨a voivat aiheuttaa my¨os siir- toverkossa k¨aytett¨avien sulakkeiden avautuminen s¨ahk¨overkon oikosulkuvikojen ai- kana [35].

Suorissa salamaniskuissa esimerkiksi 5 kA:n salamavirta aiheuttaa yli 500 kV:n yli- j¨annitteen. Salamaiskuissa vain 0,5 % tapauksissa salamavirta on alle 5 kA [36, s.

488]. Ukkosen aiheuttamat salamavirrat voivat olla kiloampeereista useisiin kym- meniin kiloampeereihin [37]. Maadoitettuihin johtopylv¨aisiin osuvan salaman virta etenee osittain maahan pienent¨aen salamoinnista syntyneit¨a ylij¨annitteit¨a. Mit¨a pie- nempi johtopylv¨a¨an maadoitusimpedanssi on, sit¨a pienempi on salamoinnista synty- v¨at ylij¨annitteet. S¨ahk¨onsiirrossa k¨aytett¨avien johtopylv¨aiden matalaimpedanssiset maadoitukset ovat tehokas tapa pienent¨a¨a salamoinnista aiheutuvia riskej¨a [36, s.

488].

Suorien salamaiskujen salamavirtojen suuruuteen ja virran aaltomuotoon vaikutta- via tekij¨oit¨a ovat salamaiskun paikka, suurj¨annitejohdon ymp¨arist¨o, vuodenaika ja ilmastolliset olosuhteet. Erilaisten ymp¨arist¨oolosuhteiden vuoksi salamaiskujen vir- tojen suuruus ja k¨ayr¨amuodot vaihtelevat suuresti. Vaikka salamaiskujen virtojen aaltomuodot vaihtelevat, ovat ne kuitenkin p¨a¨as¨a¨ant¨oisesti jokainen pulssimaisia yk- sinapaisia aaltomuotoja. Salamavirtojen aaltomuoto on n¨ain ollen l¨ahell¨a eksponen- taalisen k¨ayr¨amuodon muotoa

i_li=I₀(e^−αtt−e^−βtt) (9)

jossa I₀ on salamavirran huippuarvo,α_t ja β_t ovat vaimennuskertoimia. [38]

Suurj¨annitepuolella tapahtuvat avojohtoihin kohdistuvat salamaniskut voivat siirty¨a jakelumuuntajan ensi¨opuolelta toisiopuolelle. Normaalisti pienj¨anniteverkkoa sy¨ot- t¨av¨a muuntaja on suojattu ylij¨annitteilt¨a muun muassa metallioksidisuojilla. Muun- tajan rakenteella on osittainen vaikutus siihen, miten muuntajan l¨api kulkeva yli- j¨annitepiikki lopulta etenee. Osa salaman aiheuttamasta ylij¨annitepiikist¨a vaimenee muuntajan suojauksessa k¨aytett¨av¨ass¨a metallioksidisuojassa ja muuntajan sis¨alt¨a- m¨ass¨a induktanssissa.

Muuntajan alij¨annitepuolella ylij¨annitepiikki vaimenee edelleen verkossa k¨aytett¨a- viss¨a johtojen induktansseissa ja liitynt¨apisteiden laitteissa [22, s. 599–601]. Vaik- ka salaman aiheuttama ylij¨annitepiikki vaimenee pienj¨anniteverkon s¨ahk¨ojohdois- sa, pienj¨anniteverkkoon liitetty s¨ahk¨onk¨aytt¨aj¨a voi kokea korkeitakin ylij¨annitteit¨a s¨ahk¨okojeissaan ylij¨annitepulssin edetess¨a keskij¨anniteverkosta jakelumuuntajan l¨a- pi pienj¨anniteverkkoon [39].

Salamaiskujen maailmanlaajuisia iskutiheyksi¨a voidaan tarkkailla maan alemmalle kiertoradalle sijoitetulla optisella transientti-ilmaisimella OTD (Optical Transient Detector), jonka tuottaman tiedon perusteella on pystytty laatimaan maailmanlaa- juisia salamatiheyskarttoja. Taulukossa 1 on listattuna salamaiskujen korkeimmat esiintymistiheydet Aasiassa, Pohjois-Amerikassa, Etel¨a-Amerikassa ja Euroopassa.

Paikallisten salamaniskujen mittana on k¨aytetty keskim¨a¨ar¨aist¨a vuosittaista sala- maniskujen tiheytt¨a. [40]

Taulukko 1: Salamaniskutiheydet.

Sija Aasia Salamaniskutiheys km⁻²a⁻¹

1 Kuala Lumpur, Malesia 48,3

2 Aranyaprathet, Thaimaa 36,3

3 Murree, Pakistan 33,3

Pohjois-Amerikka

1 Tampa-Orlando, Florida 35,4

2 Texarkana, Alaska 33,5

3 Palestine, Texas 33,3

Etel¨a-Amerikka

1 Posadas, Argentiina 42,7

2 Ocana, Kolumbia 39,9

3 Concepcion, Paraguay 37

Eurooppa

1 Tiranas Rinas, Albania 9,4

2 Piacenza, Italia 9,1

3 Napoli, Italia 9

2.2.3 S¨ahk¨overkon j¨annite-ep¨asymmetria

Mik¨ali s¨ahk¨overkon kolmivaihej¨arjestelm¨ass¨a k¨aytett¨av¨at yksi- ja kaksivaiheiset kuor- mat on jaettu ep¨atasaisesti eri vaiheille, syntyy s¨ahk¨overkon j¨annitej¨arjestelm¨a¨an j¨annite-ep¨asymmetria [4, s. 442]. Muun muassa ANSI C84.1 m¨a¨ar¨ayksess¨a suosi- tellaan, ett¨a s¨ahk¨oj¨arjestelm¨an j¨annite-ep¨asymmetria on korkeintaan 3 % s¨ahk¨o- verkon ollessa kuormittamattomana. IEC standardin suosittelema vastaava j¨annite- ep¨asymmetriataso on 2 %. Kolmivaiheisille taajuusmuuttajille 3 %:n ep¨asymmetri-

syys p¨a¨aj¨annitteess¨a saattaa aiheuttaa suuria virtoja yhdess¨a tai kahdessa kolmi- vaihesy¨otetyn taajuusmuuttajan sy¨ott¨ovaiheessa, mink¨a seurauksena taajuusmuut- tajan suojaustoiminnot kytkeytyv¨at p¨a¨alle [41, s. 33].

Taajuusmuuttajan AC-tulopuolen virtaep¨asymmetriaan vaikuttaa herk¨asti s¨ahk¨o- verkon j¨annite-ep¨asymmetria. Esimerkiksi s¨ahk¨overkon j¨annite-ep¨asymmetrian ol- lessa m¨a¨ar¨aysten rajoissa 3 %:ssa, voi taajuusmuuttajan sy¨ott¨opuolen virtaep¨asym- metria olla jopa yli 50 %. Taajuusmuuttajat tuottavat my¨os enemm¨an harmoni- sia virtoja ep¨asymmetrisess¨a s¨ahk¨overkossa. Varsinkin taajuusmuuttajan tuottaman kolmannen yliaallon pitoisuus kasvaa merkitt¨av¨asti ep¨asymmetrisess¨a s¨ahk¨overkon k¨aytt¨oymp¨arist¨oss¨a. [41, s. 33]

Taajuusmuuttajan AC-tulopuolen virtaep¨asymmetriaan vaikuttavat taajuusmuut- tajan kuormituksen taso, taajuusmuuttajan v¨alipiirin kondensaattorien koko ja taa- juusmuuttajan AC-tulopuolen impedanssi. Kyseisten parametrien optimoinnilla voi- daan vaikuttaa taajuusmuuttajan herkkyyteen j¨annite-ep¨asymmetrisess¨a s¨ahk¨over- kossa. [41, s. 33]

Yksivaiheisen maasulun aiheuttamassa j¨annite-ep¨asymmetrisess¨a verkossa taajuus- muuttajan sy¨ott¨ovaiheen yhden tai useamman vaiheen j¨annite voi olla alhaisempi kuin v¨alipiirin j¨annite. T¨all¨oin taajuusmuuttajan tasasuuntaussillan diodit ovat esto- suunnassa, eik¨a v¨alipiiriin kulje virtaa vaihtos¨ahk¨overkon suunnalta. T¨am¨an kaltai- sessa tilanteessa v¨alipiirin kondensaattorit purkavat varaustaan niin kauan, kunnes sy¨ott¨overkon puoleiset vaihej¨annitteet nousevat ja tasasuuntaussillan diodit muut- tuvat takaisin my¨ot¨asuuntaisiksi. Kondensaattorin ottaman latausvirran RMS-arvo voi nousta yli 200 % nimellisest¨a virrasta jollakin taajuusmuuttajan sy¨ott¨ovaiheel- la. T¨ass¨a tapauksessa latausvirran huippuarvo saattaa olla jopa nelj¨a kertaa suu- rempi kuin taajuusmuuttajan nimellisen tulopuolen virran huippuarvo [41, s. 37].

J¨annite-ep¨asymmetrisess¨a tilanteessa on my¨os mahdollista, ett¨a taajuusmuuttajan sy¨ott¨opuolelta puuttuu yksi sy¨ott¨ovaihe. T¨am¨a aiheuttaa DC-j¨annitteen putoamisen taajuusmuuttajan v¨alipiiriss¨a ja siten rasittaa taajuusmuuttajan tasasuuntaussiltaa ja IGBT-puolijohteita [42].

S¨ahk¨overkon h¨airi¨otilassa kolmivaihej¨arjestelm¨a¨a ei voida laskea yksivaiheisella si- jaiskytkenn¨all¨a sen ep¨asymmetrisyyden vuoksi. S¨ahk¨overkon matemaattisessa tar- kastelussa k¨aytet¨a¨an symmetrisi¨a komponentteja, joiden avulla saadaan ep¨asymmet- rinen j¨arjestelm¨a kuvatuksi yksivaihej¨arjestelm¨all¨a. Ep¨asymmetrisen kolmivaihesuu- reen ilmaisemiseen tarvitaan kolme symmetrist¨a komponenttiaUr0,Ur1 jaUr2 [43, s.

76], jossa j¨annite-ep¨asymmetrian k¨asite perustuu kolmivaihej¨arjestelm¨an symmetris- ten komponenttien muotoon [44, s. 124]. Kolmivaihej¨arjestelm¨a muodostuu my¨ot¨a-, vasta- ja nollaj¨arjestelm¨ast¨a, miss¨a my¨ot¨aj¨arjestelm¨an vaihekomponenttien kierto- suuntaj¨arjestys kompleksitasossa on suuntaan A-B-C ja vastaj¨arjestelm¨an A-C-B.

Nollaj¨arjestelm¨a on joka vaiheessa samansuuntainen [45, s. 228–231].

ω rad/s

120°

120°

120° IA1

IC1= a IA1

IB1= a I²A1

ω rad/s

120°

120°

120° IA2

IC2= a IA2 IB2= a IA2

2

IA0 = IB0 = IC0

Kuva 4: My¨ot¨a-, vasta-, ja nollaj¨arjestelm¨a.

Nollaj¨arjestelm¨an, my¨ot¨aj¨arjestelm¨an ja vastaj¨arjestelm¨an j¨annitteet voidaan muo- dostaa symmetristen komponenttien a-operaattorin avulla seuraavasti [45, s. 219]:

a¯= 1∠120^◦ =−1 2 +j

√3

2 (10)

a¯

2 = 1∠−120^◦ =−1 2−j

√3

2 (11)

Symmetristen komponenttien suhde vaihej¨annitteisiin voidaan esitt¨a¨a matriisimuo- dossa. Matriisimuotoisten komponenttien esitystapa on kuvattu yht¨al¨oiss¨a 12 ja 13

M =



 U¯^A U¯^B U¯^C



=





1 1 1

1 a¯

2 a

1 a ¯

¯ a

¯

2







 U¯^A0 U¯^A1 U¯^A2



 (12)

M =



 U¯^A0 U¯^A1 U¯^A2



= 1 3





1 1 1

1 a

¯ a

¯

2

1 a¯

2 a

¯







 U¯^A U¯^B U¯^C



 (13)

jossa U_A, U_B ja U_C ovat kolmivaihej¨arjestelm¨an vaihej¨annitteit¨a ja U_A0 on nolla- komponentti, U_A1 my¨ot¨akomponentti ja U_A2 vastakomponentti. [45, s. 220]

S¨ahk¨overkon j¨annite-ep¨asymmetriassa kolmivaihej¨arjestelm¨an j¨annitteiden huippuar- vot ovat erisuuruisia [5, s. 40–41], mik¨a aiheuttaa verkkoon kytketyiss¨a s¨ahk¨okoneis- sa l¨amp¨oh¨avi¨oit¨a ja tehoelektronisissa laitteissa, kuten taajuusmuuttajissa, v¨alipii- rin DC-j¨annitteen aaltomuodon lis¨a¨antymist¨a [44, s. 125].

J¨annite-ep¨asymmetrian m¨a¨ar¨a voidaan m¨a¨aritell¨a prosenttiyksik¨oiden avulla. IEEE- standardissa (IEEE Recommended Practice for Electric Power Distribution for In- dustrial Plants, IEEE std. 141-1993) on esitetty kolmivaihej¨arjestelm¨an vaihej¨annite- ep¨asymmetria yht¨al¨oiden 14 ja 15 mukaisesti

ep¨asymmetria(%) = |U_{AV G}−U_φ| UAV G

(14) U_{AV G} = U_a+U_b+U_c

3 (15)

jossa U_φ on yhden kolmivaihej¨arjestelm¨an j¨annitteen RMS-arvon huippuarvo, joka aiheuttaa suurimman poikkeaman keskim¨a¨ar¨aisen j¨annitteen arvosta. [13]

2.2.4 J¨annitteen kohouma

J¨annitteen kohoumassa j¨annitteen arvo kasvaa 10–80 % nimellisarvostaan ja on kes- toltaan puolikkaasta vaihtoj¨annitteen syklist¨a yhteen minuuttiin. [46, s. 276]

1.05 25.00 50.00 75.00 100.00 125.00 150.00 168.89

Time [ms]

-455.37 -375.00 -250.00 -125.00 0.00 125.00 250.00 375.00 500.00

U1.V [V]

Curve Info U1.V

Kuva 5: Hetkellinen j¨annitteen kohouma.

J¨annitteen kohouman aiheuttajina ovat tyypillisesti yksivaiheiset maasulkuviat, joi- den seurauksena muiden terveiden vaiheiden j¨annitteiden arvot kasvavat hetkelli- sesti. Muita j¨annitteen kohouman aiheuttajia ovat esimerkiksi verkkoon kytkettyjen raskaiden kuormien tai s¨ahk¨overkon kompensointikondensaattorien kytkeytyminen irti. J¨annitteen kohoumat voivat aiheuttaa pysyvi¨a vaurioita verkkoon kytketyille laitteille [26, s. 127]. J¨annitteen kohouman suuruus riippuu t¨aysin sen vikapaikasta,

s¨ahk¨overkon impedanssista ja s¨ahk¨overkon maadoitustavoista. S¨ahk¨oasemalla sijait- sevan kolmio-t¨ahti-kytketyn muuntajan t¨ahtipisteen matalaimpedanssisen maadoi- tuksen vuoksi j¨annitteenkohoumasta aiheutuneet terveiden vaiheiden j¨annitteiden nousut j¨a¨av¨at kuitenkin v¨ah¨aisiksi [47, luku 43, s. 3].

2.2.5 J¨annitekuopat

S¨ahk¨overkon h¨airi¨otilanteissa ilmeneviss¨a j¨annitekuopissa j¨annitteen RMS-arvo v¨a- henee nimellisarvostaan 10–90 %. J¨annitekuopassa j¨annitteen aleneman kesto on puolikkaasta vaihtoj¨annitteen syklist¨a yhteen minuuttiin. J¨annitekuopan syvyyteen vaikuttaa s¨ahk¨onjakeluj¨arjestelm¨an rakenne ja et¨aisyys vikapaikkaan. [19]

1.05 25.00 50.00 75.00 100.00 125.00 150.00 168.89

Time [ms]

-341.53 -275.00 -175.00 -75.00 25.00 125.00 225.00 325.00 377.78

U1.V [V]

Curve Info U1.V

Kuva 6: Hetkellinen j¨annitekuoppa.

J¨annitekuoppia aiheuttavat s¨ahk¨overkossa tapahtuvat oikosulut ja s¨ahk¨overkkoon kytkettyjen suurten kuormien, kuten induktiomoottorien, k¨aynnistystilanteet. In- duktiomoottorien ottama k¨aynnistysvirta on hyvin suuri, mink¨a seurauksena joh- toimpedansseissa syntyv¨a j¨anniteh¨avi¨o on merkitt¨av¨a [5, s. 25–26]. Varsinkin hei- kossa verkossa teht¨av¨at suurten induktiivisten moottorikuormien p¨a¨allekytkenn¨at voivat aiheuttaa pidempikestoisia j¨annitekuoppia [48].

J¨annitekuoppia aiheuttavat h¨airi¨ot pyrit¨a¨an poistamaan s¨ahk¨overkosta katkaisijoi- den avulla tehdyiss¨a pikaj¨alleenkytkenn¨oiss¨a. Niiden seurauksena v¨aliaikaiset j¨anni- tesy¨ot¨on keskeytykset voivat olla pituudeltaan noin 2–5 sekuntia [27, s. 43]. J¨annite- kuopat voivat olla symmetrisi¨a tai ep¨asymmetrisi¨a, mihin p¨a¨as¨a¨ant¨oisesti vaikuttaa j¨annitekuopan vian aiheuttaja.

J¨annitekuopat luokitellaan tyypillisesti seitsem¨a¨an luokkaan [19], jotka on esitetty kuvassa 7.

A B C D

E F G

Kuva 7: J¨annitekuoppatyypit.

S¨ahk¨overkon yksivaiheiset viat voivat aiheuttaa tyypin B-, C*- ja D*- j¨annitekuop- pia. C*- ja D*-tyypin j¨annitekuopat ovat samankaltaisia C- ja D-tyyppisten j¨annite- kuoppien kanssa, mutta niiden syvyyskerroin h on tyypillisesti 0,33. C- ja D-tyypin j¨annitekuoppia (h= 0. . .1) aiheuttavat s¨ahk¨overkon kaksivaiheiset viat. Hyvin usein j¨annitekuopan aiheuttaa kuitenkin yksivaihevika, sill¨a kaksivaiheiset viat, kaksivai- heiset maasulkuviat ja kolmivaiheiset viat ovat harvinaisempia s¨ahk¨overkossa ilme- nevi¨a vikatyyppej¨a. T¨ast¨a syyst¨a yleisimm¨at s¨ahk¨overkossa ilmenev¨at j¨annitekuo- pat ovat tyyppi¨a B, C* ja D*. Simuloinneissa j¨annitekuopan muotoa voidaan pit¨a¨a suorakaiteen muotoisena. Vaikka j¨annitekuoppaa havainnollisestaan normaalisti vain sen syvyyden (h) ja keston (∆t) perusteella, my¨os j¨annitekuopan alkamisajankohta (ψi) vaihtoj¨annitteen ajanjaksolla on merkitt¨av¨a tekij¨a. [19]

B-tyypin j¨annitekuopassa (h= 0) toimivan taajuusmuuttajan vaihevirran huippuar- vo saattaa nousta korkeaksi, sill¨a taajuusmuuttaja toimii kyseisess¨a tilanteessa yk- sivaiheisena. AC-virran huippuarvoon vaikuttavat syvyyskerroin h, j¨annitekuopan kesto ∆t, j¨annitekuopan alkamisajankohta ψi, taajuusmuuttajan induktanssi L ja v¨alipiirin kapasitanssi C. Kun syvyyskertoimen arvo h on vakio, muuttujat ∆tja ψi tuottavat haitallisimmat vaikutukset j¨annitekuopassa, jossa taajuusmuuttajan sy¨ot- t¨opuolella voidaan havaita suurin mahdollinen AC-virran huippuarvo. [19]

Taajuusmuuttajan suhteelliset parametrit x_L,N ja x_C,N ovat taajuusmuuttajan in- duktiivinen ja kapasitiivinen reaktanssi taajuusmuuttajan tulopuolen kuristimen in- duktanssista L ja taajuusmuuttajan v¨alipiirin kapasitanssisa C. Suhteelliset para- metrit voidaan lausua yht¨al¨oill¨a

x_L,N = X_L

Z_b,N = Lω

1,35U_L/I_d (16)

x_C,N = X_C

Z_b,N = 1/Cω

1,35U_L/I_d (17)

joissa L on taajuusmuuttajan AC-puoleinen induktanssi, C on v¨alipiirin kapasitanssi, I_d on v¨alipiirin virta ja 1,35U_L on v¨alipiirin DC-j¨annite. Ep¨asuotuisimmat ∆t:n ja ψi:n parametrit taajuusmuuttajan toimiessa j¨annitekuopassa on esitetty taulukossa 2. Ainoastaan tyypin B j¨annitekuopassa haitallisimmat vaikutukset n¨ahd¨a¨an, kun ψi on 135^◦ & 315^◦ mill¨a tahansa ∆t:n arvolla. Taulukon arvoissa taajuusmuuttajan tulopuolen reaktanssiXL,N on 0,02 pu ja v¨alipiirin reaktanssi XC,N on 0,07 pu, kun esimerkin mukaisen taajuusmuuttajan k¨aytt¨oj¨annite on 400 V ja teho on 10 kW.

[19]

Taulukko 2: ∆t:n ja ψ_i:n arvot maksimivirtapiikeille s¨ahk¨overkon j¨annitekuopassa.

Tyyppi Relaatioω∆t+ψi Esimerkki

A ₁₂^T +^nT₆ ∆t= 8T; 8,5T → ψi = 30^◦,90^◦,150^◦ 210^◦,270^◦,330^◦

∆t= 8,25T; 8,75T → ψ_i = 0^◦,60^◦,120^◦ 180^◦,240^◦,300^◦ B ψ_i ≈135^◦, ψ_i ≈315^◦

(mik¨a tahansa ∆t:n arvo)

C* ^T₄ + ^nT₂ ∆t= 8T; 8,5T → ψ_i = 90^◦,270^◦

∆t= 8,25T; 8,75T → ψi = 0^◦,180^◦ E ^T₄ + ^nT₂ ∆t= 8T; 8,5T → ψ_i = 90^◦,270^◦

∆t= 8,25T; 8,75T → ψi = 0^◦,180^◦

F ^nT₂ ∆t= 8T; 8,5T → ψ_i = 0^◦,180^◦

∆t= 8,25T; 8,75T → ψ_i = 90^◦,270^◦

Tyypin A j¨annitekuoppa on ainoa symmetrinen ja kaikista haitallisin j¨annitekuop- pa. Se aiheuttaa DC-v¨alipiirin j¨annitteen alenemisen, ja kun sy¨ott¨oj¨annite palautuu ennalleen, suuri v¨alipiirin kondensaattorien latausvirta otetaan verkosta. A-tyypin j¨annitekuopan aiheuttaa tyypillisesti s¨ahk¨overkossa tapahtuva kolmivaiheinen maa- sulkuvika. Tyyppien E, F ja G j¨annitekuoppien aiheuttajana on tyypillisesti kaksi- vaiheinen maasulkuvika. [19]

S¨ahk¨overkkoon kytketyt taajuusmuuttajak¨ayt¨ot reagoivat herk¨asti sy¨ott¨oj¨annittei- den vaihteluihin, joissa sy¨ott¨oj¨annitteen alenema vaikuttaa taajuusmuuttajan j¨an- nitev¨alipiirin j¨annitetasoon. Mik¨ali v¨alipiirin j¨annite putoaa taajuusmuuttajalle an- netulle alij¨anniterajalle, laite normaalisti vikaantuu DC-alij¨annitevikaan ja taajuus- muuttajan ohjaaman s¨ahk¨omoottorin ohjaus pys¨aytet¨a¨an [19]. J¨annitekuoppien sek¨a yksi- ja kaksivaiheisten sy¨ott¨okeskeytysten aikana taajuusmuuttajan dioditasasuun- taussillassa voi olla havaittavissa ylivirtoja ja s¨ahk¨ok¨ayt¨on moottoripuolella saattaa esiinty¨a momenttiheilahteluja. Taajuusmuuttajan ylivirtasuojaus kuitenkin havait- see moottorin ottaman ylivirran, joten moottorik¨aytt¨o pys¨aytet¨a¨an aina ylivirtojen ilmaantuessa [49].

2.3 Taajuusmuuttajan suojaus

S¨ahk¨overkon h¨airi¨ot¨on toiminta takaa teollisuudessa k¨aytett¨avien taajuusmuutta- jien normaalin toiminnan. Teollisuuden prosessien s¨ahk¨omoottorien ohjauksessa k¨ay- tett¨avien taajuusmuuttajak¨aytt¨ojen sis¨alt¨am¨a tehoelektroniikka reagoi herk¨asti s¨ah- k¨overkon h¨airi¨otiloihin, jolloin taajuusmuuttajan ohjaaman s¨ahk¨omoottorin toimin- ta pys¨ahtyy taajuusmuuttajan vikaantuessa. Varsinkin s¨ahk¨overkon h¨airi¨oiden ai- heuttamat ylij¨annitteet, j¨annitekuopat ja j¨annite-ep¨asymmetria aiheuttavat haitalli- sia poikkeamia taajuusmuuttajan normaalissa toiminnassa. Taajuusmuuttajien suo- jaus s¨ahk¨overkon h¨airi¨oilt¨a voidaan toteuttaa sulakkeilla, johdonsuojakatkaisijoilla, ylij¨annitesuojilla ja kuristimilla [18, s. 93].

2.3.1 Sulakkeet ja johdonsuojakatkaisijat

Sulakkeet ovat yleisimm¨at s¨ahk¨olaitteiden suojauksessa k¨aytett¨av¨at kojeet. Taa- juusmuuttajien suojauksessa sulakkeita k¨aytet¨a¨an tyypillisesti suojaamaan taajuus- muuttajaa ja sit¨a sy¨ott¨av¨a¨a kaapelia. Taajuusmuuttajan suojauksessa k¨aytett¨av¨at sulakkeet ovat normaalisti yleisk¨aytt¨o¨on tarkoitettuja gG-tyypin sulakkeita [50, s.

231]. Sulakkeiden k¨ayt¨oll¨a rajoitetaan taajuusmuuttajaan vikatapauksessa kulkevaa virtaa ja sit¨a kautta suojataan taajuusmuuttajan sis¨alt¨am¨a¨a elektroniikkaa. Vaih- toj¨annitteell¨a toimivien taajuusmuuttajien tasasuuntaussilloissa tapahtuvat viat ai- heutuvat tyypillisesti korkeista transienttiylij¨annitteist¨a, jatkuvasta korkeasta sy¨ot- t¨oj¨annitteest¨a tai taajuusmuuttajan sis¨all¨a tapahtuvasta viasta. Sulakkeet eiv¨at suo- jaa laitetta t¨am¨an kaltaisilta h¨airi¨oilt¨a [51, s. 233].

Kolmivaihej¨arjestelm¨ass¨a saattaa esiinty¨a k¨aytt¨otilanteita, joissa yhden sy¨ott¨ovai- heen sulakkeen palaessa kolmivaihesy¨otetyn laitteen s¨ahk¨onsy¨ott¨o jatkuu kaksivai- heisena. Varsinkin suorissa kolmivaihemoottorik¨ayt¨oiss¨a kaksivaihesy¨ott¨o aiheuttaa s¨ahk¨omoottorin ylil¨ampenemist¨a [53, s. 289] ja taajuusmuuttajak¨ayt¨oiss¨a taajuus- muuttajan DC-v¨alipiirin j¨annitteen putoamisen 33 %:lla [52].

Johdonsuojakatkaisijoita k¨aytet¨a¨an suojaamaan sy¨ott¨okaapeleita ja laitteita ylivir- tojen aiheuttamilta vaurioilta. Kolmivaihej¨arjestelm¨ass¨a k¨aytett¨av¨at johdonsuoja- katkaisijat katkaisevat laitteen s¨ahk¨onsy¨ot¨on kokonaan [53, s. 289], joten laitteen operointi yksi- tai kaksivaiheisena ei ole mahdollista. Johdonsuojakatkaisijoiden hi- taudesta johtuen sulakkeiden k¨aytt¨o on taajuusmuuttajien suojauksessa yleisin suo- jausmenetelm¨a.

2.3.2 Varistorit

Varistorit ovat ep¨alineaarisia puolijohdekomponentteja, joiden resistanssin arvo pie- nenee j¨annitteen kasvaessa. Tyypillisimm¨at varistorit ovat metallioksidivaristoreja, joiden p¨a¨aasiallinen valmistusaine on sinkkioksidi. Tyypillisen metallioksidivaristo- rin U–I-k¨ayr¨a on esitetty kuvassa 8. [54, s. 285]

Varistorin toiminta-alue

Varistorin vuotovirta-alue

I (A)

U (V)

Kuva 8: Varistorin U–I-kuvaaja.

Normaalin k¨aytt¨oj¨annitteen aikana varistorin l¨api kulkee pieni vuotovirta (< 0,1 mA) ja varistori toimii kuin suuriresistanssinen vastus. Ylij¨annitetilanteessa varisto- rin l¨api kulkeva virta kasvaa ja varistorin yli oleva j¨annite rajoittuu l¨ahelle varistorin normaalia k¨aytt¨oj¨annitett¨a.

Varistorin toiminta-alueessa j¨annite-virta-suhde voidaan esitt¨a¨a yht¨al¨oll¨a

I_v =kU_v^αh (18)

jossa Iv on varistorin l¨api kulkeva virta, k on metallioksidivaristorin keraaminen vakio, U_v on varistorin j¨annite ja α_h on hyvyyskerroin, joka kuvaa varistorin ep¨ali- neaarisuutta [55]. Tyypillisesti hyvyyskerroin α_h on noin 25–60 ja vakio k on hyvin pieni (< 10⁻¹⁰⁰), joten varistorin l¨api kulkeva virta voidaan esitt¨a¨a logaritmisesti yht¨al¨oll¨a 19.

log|I_v|=log(k) +α_hlog|U_v| (19)

Mik¨ali (U₁, I₁) ja (U₂, I₂) ovat varistorin toiminta-alueen kaksi mittauspistett¨a, voi- daan varistorin hyvyyskerroin m¨a¨aritt¨a¨a yht¨al¨on 20 perusteella [54, s. 285–286].

α_h = log(I₁/I₂)

log(U₁/U₂) (20)

Varistorit ovat nopeita komponentteja, joiden vasteaika on pienempi kuin 0,5 ns, mik¨ali komponentin jalkojen loisinduktanssi j¨atet¨a¨an huomioimatta. Varistorin toi- mintaan vaikuttaa my¨os l¨amp¨otila. Korkeissa l¨amp¨otiloissa varistorin l¨api kulkeva vuotovirta nousee. Varistorin liiallinen vuotovirta saattaa aiheuttaa komponentin l¨ampenemisen, mik¨a puolestaan lis¨a¨a vuotovirran suuruutta. T¨am¨a johtaa varisto- rin l¨amp¨orynt¨aykseen. [54, s. 286]

Varistoreja k¨aytet¨a¨an normaalisti suojaamaan s¨ahk¨oteknisi¨a laitteita transienttiyli- j¨annitteilt¨a. Varistorit kest¨av¨at kertaluontoisia transienttiylij¨annitteit¨a, joiden arvo on 150 % varistorien nimellisest¨a virrasta. Varistorit eiv¨at kest¨a kuitenkaan useam- pia per¨att¨aisi¨a transienttipulsseja, vaikka transienttipulssit olisivat 75 % varistorin nimellisvirrasta. Kun varistorit her¨atet¨a¨an s¨ahk¨oj¨arjestelm¨an j¨annitteill¨a, ne kest¨a- v¨at ainoastaan 40 %:n virran nimellisarvostaan useammissa per¨att¨aisiss¨a transient- tij¨annitetilanteissa. [54, s. 286]

Piirikorttien suojauksessa k¨aytett¨av¨at metallioksidivaristorit katkovat ainoastaan ylij¨annitepiikkien j¨annitteit¨a useista sadoista huipusta huippuun -arvoista, joten suo- jauksesta huolimatta ylij¨annitteet saattavat aiheuttaa vaurioita metallioksidisuojilla varustettuihin laitteisiin [56, s. 310].

Varistorien suojaustehokkuus laitteen ylij¨annitesuojauksessa on hyvin pieni, joten ne eiv¨at tarjoa kovinkaan tehokasta suojaa transienttiylij¨annitteit¨a vastaan [57].

Aiemmissa taajuusmuuttajan ylij¨annitesuojaukseen liittyviss¨a mittauksissa ja simu- loinneissa on selvinnyt taajuusmuuttajissa k¨aytett¨avien varistorien suojausvaikutus- ten puutteellisuus s¨ahk¨overkon ylij¨annitetilanteissa. Varistorien tarpeellisuus ABB:n myymiss¨a laitteissa perustuu osittain U.L-turvallisuusstandardeihin, joiden noudat- taminen laitteiden myynniss¨a oikeuttaa taajuusmuuttajien markkinointiin Yhdys- valloissa [58]. Asiakkaiden antamien tietojen perusteella taajuusmuuttajissa k¨ay- tett¨avien tasasuuntaussiltojen ja varistorien vaurioituminen on aiheutunut s¨ahk¨o- verkossa ilmenevist¨a ylij¨annitetilanteista. Tutkimusten perusteella transienttiylij¨an- nitteen sis¨alt¨am¨a energia purkautuu v¨alipiirin kondensaattorien kautta. Tehokkaa- seen ylij¨annitteilt¨a suojautumiseen tarvitaan taajuusmuuttajan sy¨ott¨opuolelle tai DC-v¨alipiiriin induktanssia, joka voidaan toteuttaa taajuusmuuttajaan asennetta- van kuristimen avulla [59].

2.3.3 Venttiilisuojat

Ylij¨annitesuojaukseen k¨aytett¨av¨at venttiilisuojat tarjoavat tehokkaimman tavan suo- jautua s¨ahk¨overkon ylij¨annitteilt¨a. Venttiilisuojatyyppej¨a ovat kipin¨av¨aliventtiili- suojat, magneettipuhallussuojat ja metallioksidisuojat. Kaikissa suojatyypeiss¨a il- matiiviiseen typpit¨aytteiseen posliinikuoreen on sijoitettu ep¨alineaarinen vastus. [43, s. 197, 198]

Ideaalitapauksessa venttiilisuoja tulee v¨alitt¨om¨asti johtavaksi ylij¨annitetilanteissa, ja purkaa j¨annitepiikin sis¨alt¨am¨an energian suoraan maahan ilman, ett¨a venttiili- suojan suojaaman laitteen k¨aytt¨oj¨annite kasvaa. Kun ylij¨anniteen sis¨alt¨am¨a energia on purettu venttiilisuojan kautta maahan, venttiilisuoja palautuu v¨alitt¨om¨asti eris- tystilaan. Todellisuudessa venttiilisuojilla on rajallinen ylij¨annitteiden sis¨alt¨am¨an energian purkauskapasiteetti. Venttiilisuoja ei todellisissa tilanteissa toimi v¨alitt¨o- m¨asti ja sen l¨api kulkee aina vuotovirta jopa suojan ollessa eristystilassa. [60, s. 335]

Kipin¨av¨aliventtiilisuojan rakenteessa levykipin¨av¨alit on asennettu sarjaan piikarbi- divastuksen (SiC) kanssa posliinikuoren sis¨a¨an. Kipin¨av¨aliventtiilisuojan toiminta perustuu siin¨a k¨aytett¨av¨an piikarbidivastuksen ep¨alineaarisuuteen. Kun venttiilisuo- jan l¨api kulkee suuri virta, piikarbidivastuksen arvo pienenee ja vastaavasti pienill¨a virran arvoilla piikarbidivastuksen arvo on suurempi. Ylij¨annitetilanteessa j¨annit- teen arvo ylitt¨a¨a suojan syttymisj¨annitteen u_s (sparkover voltage) ja levykipin¨av¨ali syttyy. Suojan purkausvirta kasvaa sy¨oksyj¨annitteen m¨a¨ar¨a¨am¨a¨an arvoon ja suojan yli vaikuttaa j¨a¨ann¨osj¨anniteu_r (residual voltage). J¨a¨ann¨osj¨anniteu_r (venttiilisuojan yli oleva maksimij¨annite venttiilisuojan toiminnan aikana) m¨a¨ar¨aytyy purkausvir- ran ja ylij¨annitesuojan ep¨alineaarisen vastuksen suuruudesta. Ylij¨annitteen menty¨a ohi venttiilisuoja j¨a¨a johtavaan tilaan ja j¨alkivirta kulkee suojan l¨api siihen asti, kunnes levykipin¨av¨alit sammuvat hieman ennen k¨aytt¨oj¨annitteen seuraavaa nolla- kohtaa. [60, s. 334, 336]